Ученые предложили эффективный метод реализации трехкубитной операции на сверхпроводниковых кубитах
Российские ученые из Университета МИСИС и Российского квантового центра предложили новый подход к реализации быстрой трехкубитной операции на сверхпроводниковых кубитах – флаксониумах. Этот метод приближает создание практически полезного «шумного» квантового процессора и алгоритмов для эффективных многокубитных операций. Квантовые эффекты полезны для исследования молекул, создания лекарств, эффективного решения задач логистики и поиска в базе данных.
Суперпозиция и запутанность состояний – ключевые отличия квантовой физики от классической. Суперпозиция позволяет одновременно вычислять функции в нескольких точках, а запутанность – извлекать полезную информацию из данных вычислений. Поэтому реализация многокубитного запутанного состояния является одной из важнейших задач в квантовых вычислениях.
Ученые предложили быстрый и эффективный подход к реализации трехкубитной CCZ (Controlled-Controlled-Z) операции с простой калибровкой. Большинство существующих квантовых процессоров использует для запутывания двухкубитные квантовые операции, но при их реализации возникают ошибки. Трехкубитная операция позволяет выполнять большой круг алгоритмов за меньшее количество шагов, тем самым уменьшая количество ошибок. Поэтому квантовые процессоры с естественной трехкубитной операцией могут приблизить появление практически полезного «шумного» квантового компьютера.
«Основное преимущество данного подхода – это выполнение операции с помощью микроволнового импульса, подаваемого на соединительный элемент. Само наличие соединительного элемента заметно уменьшает нежелательное взаимодействие кубитов, а активация микроволновым импульсом позволяет реализовать эффективное трехкубитное взаимодействие, не выводя кубиты из наиболее защищенных от внешних шумов точек», — сказал инженер научного проекта Лаборатории сверхпроводниковых квантовых технологий Университета МИСИС Илья Симаков.
Трехкубитная операция реализуется на новом типе сверхпроводниковых кубитов – флаксониумах. Они значительно превосходят наиболее распространенные кубиты, трансмоны, по таким важным показателям, как обособленность вычислительных состояний и время когерентности, т.е. согласованности нескольких колебательных или волновых процессов. Соединительный элемент представляет из себя кубит-трансмон, более устойчивый к технологическим ошибкам. Подробные результаты исследования опубликованы в научном журнале Physical Review Applied (Q1).
«Многокубитные операции позволяют ускорить и повысить точность алгоритмов. Наше предложение использует наработки, уже проверенные на двухкубитных операциях, для увеличения количества запутываемых кубитов до трех за одну операцию, а именно использование кубитов-флаксониумов, соединительного элемента – трансмона и микроволнового импульса активации. Данный подход позволяет получить высококогерентную систему с малыми паразитными взаимодействиями, с быстрой и точной трехкубитной запутывающей операцией», — рассказал инженер научного проекта Лаборатории сверхпроводниковых квантовых технологий Университета МИСИС Григорий Мажорин.
Ученые занимаются масштабированием этого подхода как в направлении увеличения количества запутываемых кубитов за одну операцию, так и в исследовании возможности создания процессоров с элементарной ячейкой, поддерживающей естественную трехкубитную операцию. Исследование одновременно открывает новые возможности для создания и применения не очень больших квантовых устройств, работающих в присутствии квантового шума, и для реализации масштабных универсальных отказоустойчивых квантовых вычислителей.
Работа поддержана госкорпорацией «Росатом» в Дорожной карте по квантовым вычислениям.
Об университете
Университет науки и технологий МИСИС – ведущий вуз страны в области создания, внедрения и применения новых технологий и материалов. Опираясь на вековые традиции признанных в России и мире научных школ, современные образовательные технологии, университет ставит перед собой задачу внести максимальный вклад в развитие экономики за счет прорывных разработок и качественной подготовки специалистов. В научно-исследовательской деятельности Университет МИСИС концентрируется на таких приоритетных направлениях, как металлургия, горное дело, материаловедение, квантовые технологии, биоматериалы и биоинженерия, альтернативная энергетика, аддитивные и информационные технологии.
В вузе действует 45 научно-исследовательских лабораторий и инжиниринговых центров мирового уровня, в которых работают ведущие российские и зарубежные ученые. В состав университета входит 7 институтов и 6 филиалов – четыре в России и два за рубежом. В вузе более 23 000 обучающихся, 25% студентов – граждане 86 стран. Университет МИСИС сотрудничает более чем с 1600 крупнейшими компаниями России и мира – лидерами в своих отраслях.
Фото: пресс-служба МИСИС